출력 인터페이스 회로

출력 인터페이스 회로

전자 회로, PIC 및 마이크로 컨트롤러의 출력 인터페이스를 통해 사물을 움직이거나 몇 개의 조명을 깜박임으로써 현실 세계를 제어할 수 있습니다.

이전 입력 인터페이스 튜토리얼 에서 본 것처럼 인터페이스 회로를 사용하면 한 유형의 회로를 전압이나 전류 등급이 다른 다른 유형의 회로에 연결할 수 있습니다.

그러나 스위치 및 센서와 같은 입력 장치를 인터페이싱할 뿐만 아니라 릴레이, 자기 솔레노이드 및 조명과 같은 출력 장치도 인터페이싱할 수 있습니다. 그런 다음 출력 장치를 전자 회로에 인터페이싱하는 것을 일반적으로 출력 인터페이싱 이라고 합니다 .

전자 회로와 마이크로 컨트롤러의 출력 인터페이싱을 사용하면 로봇의 모터나 팔 등의 사물을 움직여 현실 세계를 제어할 수 있습니다. 그러나 출력 인터페이싱 회로를 사용하여 표시기와 같은 사물을 켜거나 끄는 데에도 사용할 수 있습니다. 또는 조명. 그런 다음 출력 인터페이스 회로는 디지털 출력 또는 아날로그 출력 신호를 가질 수 있습니다.

 

DC 모터는
출력 장치 입니다

디지털 로직 출력은 신호를 인터페이싱하는 가장 일반적인 유형의 출력이며 제어하기가 가장 쉽습니다. 디지털 출력 인터페이스는 컨트롤러 소프트웨어를 사용하는 릴레이를 사용하여 마이크로 컨트롤러 출력 포트 또는 디지털 회로의 신호를 ON/OFF 접점 출력으로 변환합니다.

아날로그 출력 인터페이싱 회로는 증폭기를 사용하여 속도 또는 위치 제어 유형 출력을 위한 다양한 전압 또는 전류 신호를 생성합니다. 펄스 출력 스위칭은 램프 디밍 또는 DC 모터 속도 제어를 위한 출력 신호의 듀티 사이클을 변경하는 또 다른 유형의 출력 제어입니다.

입력 인터페이싱 회로는 다양한 유형의 센서에서 다양한 전압 레벨을 수용하도록 설계되었지만 더 큰 전류 구동 기능 및/또는 전압 레벨을 생성하려면 출력 인터페이싱 회로가 필요합니다. 오픈 컬렉터(또는 오픈 드레인) 출력 구성을 제공하여 출력 신호의 전압 레벨을 높일 수 있습니다. 즉, 트랜지스터의 컬렉터 단자(또는 MOSFET의 드레인 단자)가 일반적으로 부하에 연결됩니다.

거의 모든 마이크로 컨트롤러, PIC 또는 디지털 논리 회로의 출력 단계는 실제 세계를 제어하기 위해 광범위한 출력 인터페이스 장치를 전환하고 제어하는 ​​데 유용한 양의 출력 전류를 싱크하거나 소싱할 수 있습니다. 전류 싱킹 및 소싱에 대해 이야기할 때 출력 인터페이스는 스위칭 전류를 "제공"(소스)하거나 스위칭 전류를 "흡수"(싱크)할 수 있습니다. 즉, 부하가 출력 인터페이스에 연결된 방식에 따라 HIGH 또는 LOW 출력이 활성화됩니다.

아마도 모든 출력 인터페이스 장치 중 가장 단순한 장치는 단일 ON/OFF 표시기나 다중 세그먼트 또는 막대 그래프 디스플레이의 일부로 빛을 생성하는 데 사용되는 장치일 것입니다. 그러나 회로의 출력에 직접 연결할 수 있는 일반 전구와 달리 다이오드인 LED는 순방향 전류를 제한하기 위해 직렬 저항이 필요합니다.

출력 인터페이스 회로

발광 다이오드(간단히 LED)는 상태 표시기로서 높은 전력량, 고온 필라멘트 전구를 대체하는 데 사용할 수 있으므로 많은 전자 회로의 출력 장치로서 탁월한 저전력 선택입니다. LED는 일반적으로 저전압, 저전류 공급으로 구동되므로 디지털 회로에 사용하기에 매우 매력적인 구성 요소입니다. 또한 솔리드 스테이트 장치이기 때문에 작동 예상 수명이 100,000시간 이상이므로 잊어버리기 쉬운 뛰어난 구성 요소입니다.

단일 LED 인터페이스 회로

우리는 발광 다이오드 튜토리얼 에서 LED가 순방향 바이어스될 때, 즉 음극(K)이 양극(A)에 비해 충분히 음인 경우 전체 범위의 컬러 출력을 생성할 수 있는 단방향 반도체 장치라는 것을 보았습니다. 빛과 밝기.

LED의 pn 접합을 구성하는 데 사용되는 반도체 재료에 따라 방출되는 빛의 색상과 켜기 순방향 전압이 결정됩니다. 가장 일반적인 LED 색상은 빨간색, 녹색, 호박색 또는 노란색입니다.

실리콘의 경우 약 0.7V, 게르마늄의 경우 약 0.3V의 순방향 전압 강하를 갖는 기존 신호 다이오드와 달리, 발광 다이오드는 공통 신호 다이오드보다 순방향 전압 강하가 더 큽니다. 그러나 순방향 편향이 발생하면 가시광선이 생성됩니다.

조명이 켜졌을 때 일반적인 LED는 일정한 순방향 전압 강하( 약 1.2~1.6V의 V LED) 를 가질 수 있으며 광도는 순방향 LED 전류에 따라 직접적으로 달라집니다. 그러나 LED는 사실상 "다이오드"이기 때문에(기호와 같은 화살표는 다이오드와 유사하지만 LED 기호 옆에 빛을 방출한다는 것을 나타내는 작은 화살표가 있음) 다음과 같은 경우 전원이 단락되는 것을 방지하기 위해 전류 제한 저항이 필요합니다. 전진 편향.

표준 LED는 5~25mA 사이의 순방향 전류로 작동할 수 있으므로 대부분의 출력 인터페이스 포트에서 LED를 직접 구동할 수 있습니다. 일반적인 컬러 LED는 합리적으로 밝은 디스플레이를 제공하기 위해 약 10mA의 순방향 전류가 필요합니다. 따라서 단일 빨간색 LED가 1.6V의 조명을 받을 때 순방향 전압 강하를 가지며 10mA를 공급하는 5V 마이크로 컨트롤러의 출력 포트에 의해 작동된다고 가정하면. 그런 다음 필요한 전류 제한 직렬 저항 RS 값은 다음 과 같이 계산됩니다.

 

 

그러나 E24(5%) 계열의 기본 저항 값에는 340Ω 저항이 없으므로 가장 가까운 기본 저항 값은 330Ω 또는 360Ω이 됩니다. 실제로는 공급 전압(  V S )과 필요한  순방향 전류(  IF  )에 따라 150Ω에서 750Ω 사이의 모든 직렬 저항 값이 완벽하게 작동합니다.

또한 직렬 회로이기 때문에 저항과 LED가 어느 방향으로 연결되어 있는지는 중요하지 않습니다. 그러나 LED는 단방향이므로 올바른 방향으로 연결되어야 합니다. LED를 잘못된 방향으로 연결하면 손상되지 않고 단지 빛이 나지 않을 뿐입니다.

다중 LED 인터페이스 회로

출력 인터페이싱 회로에 단일 LED(또는 램프)를 사용할 뿐만 아니라 두 개 이상의 LED를 함께 연결하고 광전자 회로 및 디스플레이에 사용하기 위해 동일한 출력 전압에서 전원을 공급할 수도 있습니다.

두 개 이상의 LED를 직렬로 연결하는 것은 위에서 본 것처럼 단일 LED를 사용하는 것과 다르지 않지만 이번에는 직렬 조합에 있는 추가 LED의 추가 순방향 전압 강하 V LED를 고려해야 합니다 .

예를 들어, 위의 간단한 LED 출력 인터페이스 예에서 LED의 순방향 전압 강하는 1.6V라고 말했습니다. 세 개의 LED를 직렬로 사용하는 경우 세 개 모두의 총 전압 강하는 4.8(3 x 1.6)V가 됩니다. 그러면 5V 공급 장치를 사용할 수 있지만 3개의 LED에 전원을 공급하는 대신 더 높은 6V 또는 9V 공급 장치를 사용하는 것이 더 좋습니다.

10mA에서 9.0V의 공급을 가정하면(이전과 같이) 직렬 전류 제한 저항기의 값인 R S 는 다음과 같이 계산됩니다. R S  = (9 – 4.8)/10mA = 420Ω . E24(5%) 계열의 기본 저항 값에는 420Ω 저항이 없으므로 가장 가까운 기본 값은 430Ω이 됩니다.

저전압, 저전류 장치인 LED는 마이크로 컨트롤러 및 디지털 논리 게이트 또는 시스템의 출력 포트에서 직접 구동할 수 있는 상태 표시기로 이상적입니다. 마이크로 컨트롤러 포트와 TTL 로직 게이트는 전류를 싱크하거나 소스할 수 있으므로 음극을 접지하거나(양극이 +5v에 연결된 경우) 양극에 +5v를 적용하여(음극이 연결된 경우) LED를 켤 수 있습니다. 접지됨) 그림과 같이 적절한 직렬 저항기를 통해 연결됩니다.

LED를 인터페이싱하는 디지털 출력

 

위의 출력 인터페이싱 회로는 하나 이상의 직렬 LED 또는 전류 요구 사항이 25mA(최대 LED 순방향 전류) 미만인 기타 장치에 적합하게 작동합니다. 그러나 출력 구동 전류가 LED를 작동하기에 충분하지 않거나 12v 필라멘트 램프와 같이 더 높은 전압 또는 전류 정격으로 부하를 작동하거나 전환하려는 경우에는 어떻게 되나요? 대답은 그림과 같이 트랜지스터, MOSFET 또는 릴레이와 같은 추가 스위칭 장치를 사용하는 것입니다.

출력 인터페이싱 고전류 부하

모터, 솔레노이드 및 램프와 같은 일반적인 출력 인터페이스 장치에는 큰 전류가 필요하므로 그림과 같이 트랜지스터 스위치 배열을 통해 가장 잘 제어되거나 구동됩니다. 이렇게 하면 부하(램프 또는 모터)가 스위칭 인터페이스 또는 컨트롤러의 출력 회로에 과부하를 걸 수 없습니다.

트랜지스터 스위치는 매우 일반적이며 고전력 부하를 전환하거나 다양한 전원 공급 장치의 출력 인터페이싱에 매우 유용합니다. 또한 필요한 경우 펄스 폭 변조, PWM 회로에서와 같이 초당 여러 번 "ON" 및 "OFF"로 전환할 수도 있습니다. 하지만 트랜지스터를 스위치로 사용하는 경우 먼저 고려해야 할 몇 가지 사항이 있습니다.

베이스-이미터 접합으로 흐르는 전류는 컬렉터에서 이미터로 흐르는 더 큰 전류를 제어하는 ​​데 사용됩니다. 따라서 베이스 단자에 전류가 흐르지 않으면 콜렉터에서 이미터(또는 콜렉터에 연결된 부하를 통해)로 전류가 흐르지 않는 경우 트랜지스터가 완전 OFF(컷오프)라고 합니다.

트랜지스터를 완전히 ON(포화)으로 전환하면 트랜지스터 스위치는 닫힌 스위치처럼 효과적으로 작동합니다. 즉, 콜렉터 전압은 이미터 전압과 동일한 전압입니다. 그러나 솔리드 스테이트 장치이기 때문에 포화된 경우에도 VCE (SAT) 라고 하는 트랜지스터 단자 전체에 항상 작은 전압 강하가 발생합니다 . 이 전압 범위는 트랜지스터에 따라 약 0.1~0.5V입니다.

또한 트랜지스터가 완전히 ON으로 전환되면 부하 저항은 트랜지스터 콜렉터 전류 IC 를 부하에 필요한 실제 전류(이 경우 램프를 통과하는 전류)로 제한합니다. 그러면 베이스 전류가 너무 많으면 스위칭 트랜지스터가 과열되어 손상될 수 있으며, 이로 인해 더 작은 전류로 더 큰 부하 전류를 제어하려는 트랜지스터 사용 목적이 다소 무산됩니다. 따라서 베이스 전류 I B 를 제한하려면 저항이 필요합니다 .

부하를 제어하기 위해 단일 스위칭 트랜지스터를 사용하는 기본 출력 인터페이싱 회로는 다음과 같습니다. 플라이휠 다이오드 또는 1N4001 또는 1N4148과 같은 역기전력 억제 다이오드라고도 하는 환류 다이오드를 연결하여 릴레이, 모터 및 기타 유도 부하에서 생성된 역기전력 전압으로부터 트랜지스터를 보호하는 것이 일반적입니다. 솔레노이드 등. 트랜지스터에 의해 전류가 꺼질 때.

기본 트랜지스터 스위치 회로

 

적절한 출력 인터페이싱 트랜지스터 스위치 회로를 통해 TTL 5.0v 디지털 논리 게이트의 출력을 사용하여 12V 공급 장치에 연결된 5W 필라멘트 램프의 작동을 제어한다고 가정해 보겠습니다. DC 전류 게인(컬렉터(출력)과 베이스(입력) 전류의 비율), 트랜지스터의 베타(β)가 100인 경우(이 Beta 또는 h FE 값은 사용하는 트랜지스터의 데이터시트에서 확인할 수 있음 ) 완전히 켜졌을 때 V CE 포화 전압은 0.3V입니다. 즉, 콜렉터 전류를 제한하는 데 필요한 기본 저항 R B 의 값은 얼마입니까?

트랜지스터 콜렉터 전류 IC 는 필라멘트 램프를 통해 흐르는 전류와 동일한 값입니다. 램프의 정격 전력이 5와트인 경우 완전히 켜졌을 때의 전류는 다음과 같습니다.

 

IC 는 램프(부하) 전류와 동일 하므로 트랜지스터 베이스 전류는 I B  = I C /β 처럼 트랜지스터의 전류 이득에 상대적입니다 . 전류 이득은 이전에 β = 100 으로 주어졌으므로 최소 베이스 전류 I B(MIN) 는 다음과 같이 계산됩니다.

 

필요한 기본 전류 값을 찾았으므로 이제 기본 저항기 R B(MAX) 의 최대값을 계산해야 합니다 . 제공된 정보에는 트랜지스터의 베이스가 디지털 논리 게이트의 5.0v 출력 전압( Vo ) 에서 제어된다는 내용이 나와 있습니다 . 베이스-이미터 순방향 바이어스 전압이 0.7V인 경우 R B 값은 다음과 같이 계산됩니다.

 

그런 다음 논리 게이트의 출력 신호가 LOW(0v)이면 기본 전류가 흐르지 않고 트랜지스터가 완전히 꺼집니다. 즉, 1kΩ 저항을 통해 전류가 흐르지 않습니다. 로직 게이트의 출력 신호가 HIGH(+5v)일 때 베이스 전류는 4.27mA이고 트랜지스터를 켜서 필라멘트 램프에 11.7V를 공급합니다. 기본 저항 R B 는 4.27mA를 전도할 때 18mW 미만을 소비하므로 1/4W 저항이 작동합니다.

트랜지스터를 출력 인터페이싱 회로의 스위치로 사용할 때 좋은 경험 법칙은 기본 구동 전류 I B 가 필요한 부하의 약 5% 또는 심지어 10%가 되도록 기본 저항, R B 값을 선택하는 것입니다. 전류, IC 는 트랜지스터를 포화 영역으로 잘 구동하여 V CE 및 전력 손실을 최소화하는 데 도움이 됩니다.

또한 저항 값을 보다 빠르게 계산하고 계산을 약간 줄이려면 계산 시 컬렉터 이미터 접합의 0.1~0.5 전압 강하와 베이스 이미터 접합의 0.7V 강하를 무시할 수 있습니다. 결과로 나온 대략적인 값은 어쨌든 실제 계산된 값에 충분히 가깝습니다.

단일 전력 트랜지스터 스위칭 회로는 필라멘트 램프와 같은 저전력 장치를 제어하거나 모터 및 솔레노이드와 같은 훨씬 더 높은 전력 장치를 전환하는 데 사용할 수 있는 스위칭 릴레이에 매우 유용합니다.

그러나 릴레이는 예를 들어 8포트 마이크로 컨트롤러의 출력 인터페이스에 사용될 때 비용이 많이 들거나 회로 기판에서 많은 공간을 차지할 수 있는 크고 부피가 큰 전기 기계 장치입니다.

이 문제를 극복하고 마이크로 컨트롤러, PIC 또는 디지털 회로의 출력 핀에서 직접 고전류 장치를 전환하는 한 가지 방법은 두 개의 트랜지스터로 구성된 달링턴 쌍 구성을 사용하는 것입니다.

출력 인터페이싱 장치로 사용될 때 전력 트랜지스터의 주요 단점 중 하나는 특히 높은 전류를 스위칭할 때 전류 이득( β )이 너무 낮을 수 있다는 것입니다. 10만큼 적습니다. 이 문제를 극복하고 필요한 기본 전류 값을 줄이려면 달링턴 ​​구성에서 두 개의 트랜지스터를 사용하는 것입니다.

달링턴 트랜지스터 구성

달링턴 트랜지스터 구성은 함께 연결된 2개의 NPN 또는 2개의 PNP 트랜지스터로 구성할 수 있으며, 단일 TO- 내에서 빠른 끄기를 지원하기 위해 트랜지스터와 일부 저항기를 모두 통합하는 2N6045 또는 TIP100과 같은 준비된 달링턴 장치로 구성할 수 있습니다. 220 패키지는 스위칭 애플리케이션용입니다.

이 달링턴 구성에서 트랜지스터 TR 1 은 제어 트랜지스터이고 전력 스위칭 트랜지스터 TR 2 의 전도를 제어하는 ​​데 사용됩니다 . 트랜지스터 (TR1 ) 의 베이스에 인가되는 입력 신호는 트랜지스터 (TR2) 의 베이스 전류를 제어한다 . 개별 트랜지스터이든 단일 패키지이든 Darlington 배열에는 이미터( E ), 베이스( B ) 및 컬렉터( C )의 세 개의 동일한 리드가 있습니다.

달링턴 트랜지스터 구성은 사용된 트랜지스터에 따라 수백에서 수천의 DC 전류 이득(콜렉터(출력)과 베이스(입력) 전류 사이의 비율)을 가질 수 있습니다. 그러면 첫 번째 트랜지스터의 β 1 I B1 이 두 번째 트랜지스터의 베이스 전류가 되는 콜렉터 전류로서 단 몇 마이크로 암페어(uA)의 베이스 전류로 위의 필라멘트 램프 예를 제어할 수 있습니다 .

그러면 두 이득을 β T  = β 1 × β 2 로 곱하므로 TR 2 의 현재 이득은 β 1 β 2 I B1 이 됩니다 . 즉, 단일 달링턴 트랜지스터 쌍을 만들기 위해 함께 결합된 한 쌍의 바이폴라 트랜지스터는 전류 이득을 함께 곱하게 됩니다.

따라서 적합한 바이폴라 트랜지스터를 선택하고 올바른 바이어스를 사용하면 이중 이미터 팔로워 달링턴 구성은 매우 높은 β 값 과 결과적으로 수천 옴의 높은 입력 임피던스를 갖는 단일 트랜지스터로 간주될 수 있습니다 .

다행스럽게도 누군가가 이미 여러 개의 달링턴 트랜지스터 구성을 단일 16핀 IC 패키지에 넣어서 전체 범위의 장치에 대한 출력 인터페이스를 쉽게 만들었습니다.

ULN2003A 달링턴 트랜지스터 어레이

ULN2003A는 효율성이 높고 전력 소비가 낮은 저렴한 단극 달링턴 트랜지스터 어레이로 솔레노이드, 릴레이 DC 모터 및 LED 디스플레이 또는 필라멘트 램프를 포함한 광범위한 부하를 마이크로 컨트롤러 포트에서 직접 구동하는 데 매우 유용한 출력 인터페이싱 회로입니다. , PIC 또는 디지털 회로.

달링턴 어레이 제품군은 모두 단일 IC 패키지 내에 7개의 개방형 콜렉터 달링턴 쌍을 포함하는 고전압, 고전류 달링턴 어레이인 ULN2002A, ULN2003A 및 ULN2004A로 구성됩니다. 7개가 아닌 8개의 달링턴 쌍을 포함하는 ULN2803 달링턴 드라이버도 사용할 수 있습니다.

어레이의 각 절연 채널 정격은 500mA이고 최대 600mA의 피크 전류를 견딜 수 있으므로 소형 모터나 램프 또는 고전력 트랜지스터의 게이트 및 베이스를 제어하는 ​​데 이상적입니다. 유도 부하 구동을 위해 추가 억제 다이오드가 포함되어 있으며 입력은 출력 반대편에 고정되어 연결 및 보드 레이아웃을 단순화합니다.

ULN2003 달링턴 트랜지스터 어레이

 

ULN2003A Darlington 드라이버는 TTL 또는 +5V CMOS 로직 게이트에서 직접 구동할 수 있는 매우 높은 입력 임피던스와 전류 이득을 제공합니다. +15V CMOS 로직의 경우 ULN2004A를 사용하고 최대 100V의 더 높은 스위칭 전압의 경우 SN75468 Darlington 어레이를 사용하는 것이 더 좋습니다.

더 많은 스위칭 전류 기능이 필요한 경우 더 높은 전류 기능을 위해 Darlington 쌍의 입력 및 출력을 함께 병렬로 연결할 수 있습니다. 예를 들어 입력 핀 1과 2는 함께 연결되고 출력 핀 16과 15는 함께 연결되어 부하를 전환합니다.

전력 MOSFET 인터페이싱 회로

단일 트랜지스터 또는 Darlington 쌍을 사용하는 것 외에도 전력 MOSFET을 사용하여 중간 전력 장치를 전환할 수도 있습니다. 트랜지스터를 포화 상태로 구동하기 위해 기본 전류가 필요한 바이폴라 접합 트랜지스터인 BJT와 달리 MOSFET 스위치는 게이트 단자가 주 전류 전달 채널로부터 절연되어 있으므로 사실상 전류를 사용하지 않습니다.

기본 MOSFET 스위치 회로

포지티브 임계 전압과 극도로 높은 입력 임피던스를 갖춘 N 채널, 강화 모드(상시 꺼짐) 전력 MOSFET(eMOSFET)은 마이크로 컨트롤러, PIC 및 디지털 논리 회로에 직접 인터페이싱하는 데 이상적인 장치입니다. 그림과 같이 긍정적인 출력을 생성합니다.

MOSFET 스위치는 게이트 입력 신호에 의해 제어되며 MOSFET의 매우 높은 입력(게이트) 저항으로 인해 연결된 부하의 전력 처리 기능을 달성할 때까지 많은 전력 MOSFET을 거의 제한 없이 병렬로 연결할 수 있습니다.

N채널 강화형 MOSFET에서는 장치가 차단되고(Vgs = 0) 채널은 일반적으로 열린 스위치처럼 작동하여 닫힙니다. 게이트에 양의 바이어스 전압이 가해지면 전류가 채널을 통해 흐릅니다. 전류량은 게이트 바이어스 전압 Vgs 에 따라 달라집니다 . 즉, 포화 영역에서 MOSFET을 작동하려면 게이트-소스 전압이 필요한 드레인과 그에 따른 부하 전류를 유지하기에 충분해야 합니다.

앞서 설명한 것처럼 n채널 eMOSFET는 게이트와 소스 사이에 적용되는 전압에 의해 구동되므로 그림과 같이 MOSFET의 게이트-소스 접합부에 제너 다이오드를 추가하면 다음과 같은 과도한 양 또는 음 입력 전압으로부터 트랜지스터를 보호하는 역할을 합니다. 예를 들어, 포화된 연산 증폭기 비교기 출력에서 ​​생성된 것입니다. 제너는 양의 게이트 전압을 고정하고 게이트 전압이 -0.7V에 도달하면 전도를 시작하는 기존 다이오드 역할을 하여 게이트 단자를 역방향 항복 전압 한계에서 멀리 유지합니다.

MOSFET 및 오픈 컬렉터 게이트

TTL의 전력 MOSFET을 인터페이싱하는 출력은 오픈 컬렉터 출력이 있는 게이트와 드라이버를 사용할 때 문제를 야기합니다. 로직 게이트가 항상 필요한 V GS 출력을 제공하지 못할 수 있기 때문입니다. 이 문제를 극복하는 한 가지 방법은 그림과 같이 풀업 저항을 사용하는 것입니다.

풀업 저항은 TTL 공급 레일과 MOSFET 게이트 터미널에 연결된 로직 게이트 출력 사이에 연결됩니다. TTL 논리 게이트 출력이 논리 레벨 "0"(LOW)에 있을 때 MOSFET은 "OFF"이고 논리 게이트 출력이 논리 레벨 "1"(HIGH)에 있을 때 저항기는 게이트 전압을 + 5V 레일.

이 풀업 저항 배열을 사용하면 그림과 같이 게이트 전압을 상위 공급 레일에 연결하여 MOSFET을 완전히 "ON"으로 전환할 수 있습니다.

출력 인터페이스 모터

우리는 바이폴라 접합 트랜지스터 또는 MOSFET을 출력 인터페이스 회로의 일부로 사용하여 전체 범위의 장치를 제어할 수 있다는 것을 확인했습니다. 일반적인 출력 장치 중 하나는 회전 운동을 생성하는 DC 모터입니다. 단일 트랜지스터, 달링턴 트랜지스터 또는 MOSFET을 사용하여 모터와 스테퍼 모터를 마이크로 컨트롤러, PIC 및 디지털 회로에 인터페이스할 수 있는 방법은 수백 가지가 있습니다.

문제는 모터가 회전 운동을 생성하기 위해 자기장, 브러시 및 코일을 사용하는 전기 기계 장치이며 이로 인해 모터, 특히 값싼 장난감 또는 컴퓨터 팬 모터가 많은 "전기 소음"과 "전압 스파이크"를 발생시킨다는 것입니다. 스위칭 트랜지스터가 손상될 수 있습니다.

이 모터에서 발생하는 전기적 소음과 과전압은 모터 단자 전체에 프리휠 다이오드나 무극성 억제 커패시터를 연결하여 줄일 수 있습니다. 그러나 전기적 노이즈와 역전압이 반도체 트랜지스터 스위치나 마이크로컨트롤러의 출력 포트에 영향을 미치는 것을 방지하는 간단한 방법 중 하나는 적절한 릴레이를 통해 제어용과 모터용으로 별도의 전원 공급 장치를 사용하는 것입니다.

전기 기계식 계전기를 DC 모터에 연결하는 출력의 일반적인 연결 다이어그램은 다음과 같습니다.

ON/OFF DC 모터 제어

 

NPN 트랜지스터는 릴레이 코일에 원하는 전류를 제공하기 위해 tn ON-OFF 스위치로 사용됩니다. 전원이 차단될 때 유도 코일을 통해 흐르는 전류가 순간적으로 0으로 감소될 수 없기 때문에 위와 마찬가지로 환류 다이오드가 필요합니다. 베이스에 대한 입력이 HIGH로 설정되면 트랜지스터가 "ON"으로 전환됩니다. 전류는 릴레이 코일을 통해 흐르고 접점이 닫혀 모터를 구동합니다.

트랜지스터 베이스에 대한 입력이 LOW이면 트랜지스터가 "OFF"로 전환되고 이제 릴레이 접점이 열리므로 모터가 정지됩니다. 코일을 비활성화하여 생성된 모든 역기전력은 환류 다이오드를 통해 흐르고 트랜지스터 손상을 방지하기 위해 천천히 0으로 감소합니다. 또한 트랜지스터(또는 MOSFET)는 절연되어 있으며 모터 작동으로 인해 발생하는 소음이나 전압 스파이크의 영향을 받지 않습니다.

우리는 모터와 전원 공급 장치 사이의 한 쌍의 릴레이 접점을 사용하여 DC 모터를 켜고 끌 수 있다는 것을 확인했습니다. 하지만 로봇이나 다른 형태의 전동 프로젝트에 사용하기 위해 모터가 양방향으로 회전하도록 하려면 어떻게 해야 할까요? 그러면 그림과 같이 두 개의 릴레이를 사용하여 모터를 제어할 수 있습니다.

가역 DC 모터 제어

 

DC 모터의 회전 방향은 공급 연결의 극성을 간단히 변경하여 반전시킬 수 있습니다. 2개의 트랜지스터 스위치를 사용하면 단일 전압 공급 장치에서 전원이 공급되는 SPDT(단극 쌍투) 접점이 각각 있는 2개의 릴레이를 통해 모터 회전 방향을 제어할 수 있습니다. 한 번에 트랜지스터 스위치 중 하나를 작동하여 모터를 어느 방향(정방향 또는 역방향)으로 회전시킬 수 있습니다.

릴레이를 통한 모터 출력 인터페이스를 통해 모터를 시작 및 중지하거나 회전 방향을 제어할 수 있습니다. 릴레이를 사용하면 릴레이 접점이 지속적으로 열리고 닫히므로 회전 속도를 제어할 수 없습니다.

그러나 DC 모터의 회전 속도는 전원 전압 값에 비례합니다. DC 모터 속도는 DC 공급 전압의 평균값을 조정하거나 펄스 폭 변조를 사용하여 제어할 수 있습니다. 이는 공급 전압의 마크 공간 비율을 5%에서 최대 95%까지 변경함으로써 가능하며 많은 모터 H-브리지 컨트롤러가 이를 수행합니다.

출력 인터페이스 메인 연결 부하

우리는 이전에 릴레이가 하나의 회로를 다른 회로와 전기적으로 분리할 수 있다는 것을 살펴보았습니다. 즉, 하나의 작은 전원 회로가 다른 더 큰 전원 회로를 제어할 수 있게 해줍니다. 또한 릴레이는 민감한 반도체 스위칭 장치를 손상시킬 수 있는 전기 잡음, 과전압 스파이크 및 과도 현상으로부터 소형 회로를 보호하는 기능도 제공합니다.

그러나 릴레이를 사용하면 5V 마이크로 컨트롤러 또는 PIC와 주 전압 공급 장치 사이의 전압과 접지가 서로 다른 회로의 출력 인터페이싱도 가능합니다. 그러나 AC 모터, 100W 램프 또는 히터와 같은 주 전원 장치를 제어하기 위해 트랜지스터(또는 MOSFET) 스위치 및 릴레이를 사용할 뿐만 아니라 광절연체 및 전력 전자 장치를 사용하여 제어할 수도 있습니다.

광절연체의 가장 큰 장점은 입력 단자와 출력 단자 사이에 높은 수준의 전기적 절연을 제공한다는 것입니다. 왜냐하면 광학적으로 결합되어 최소한의 입력 전류(일반적으로 단 5mA)와 전압이 필요하기 때문입니다. 이는 출력에 충분한 LED 구동 기능을 제공하는 마이크로 컨트롤러 포트 또는 디지털 회로에서 광절연기를 쉽게 인터페이스할 수 있음을 의미합니다.

광절연체의 기본 설계는 적외선을 생성하는 LED와 방출된 적외선 빔을 감지하는 데 사용되는 반도체 감광 장치로 구성됩니다. 단일 포토 트랜지스터, 포토 달링턴 또는 포토 트라이악이 될 수 있는 LED와 감광 장치는 모두 그림과 같이 전기 연결을 위한 금속 다리가 있는 차광 본체 또는 패키지로 둘러싸여 있습니다.

다양한 유형의 광절연체

 

입력이 LED이므로 LED 전류를 제한하는 데 필요한 직렬 저항 값 RS 는 위와 동일하게 계산할 수 있습니다. 두 개 이상의 광절연체 LED를 직렬로 연결하여 동시에 여러 출력 장치를 제어할 수도 있습니다.

Opto-triac 절연체를 사용하면 AC 전원 장비 및 주 램프를 제어할 수 있습니다. MOC 3020과 같은 광 결합 트라이액은 정격 전압이 약 400V이므로 직접 주 전원 연결에 이상적이며 최대 전류는 약 100mA입니다. 전력이 더 높은 부하의 경우, 광트리액을 사용하여 그림과 같이 전류 제한 저항기를 통해 다른 더 큰 트라이액에 게이트 펄스를 제공할 수 있습니다.

솔리드 스테이트 릴레이

 

이러한 유형의 광커플러 구성은 마이크로 컨트롤러, PIC 또는 디지털 회로의 출력 인터페이스에서 직접 램프 및 모터와 같은 AC 주 전원 부하를 제어하는 ​​데 사용할 수 있는 매우 간단한 솔리드 스테이트 릴레이 애플리케이션의 기초를 형성합니다.

출력 인터페이스 요약

마이크로 컨트롤러, PIC, 디지털 회로 및 기타 마이크로프로세서 기반 시스템을 사용하는 솔리드 스테이트 소프트웨어 제어 시스템은 실제 세계에 연결하여 모터를 제어하거나 LED 표시기 및 램프를 켜거나 끌 수 있어야 합니다. 전자 튜토리얼에서 우리는 다양한 유형의 출력 인터페이싱 회로를 이러한 목적으로 사용할 수 있다는 것을 확인했습니다 .

지금까지 가장 간단한 인터페이스 회로는 간단한 ON/OFF 표시기 역할을 하는 발광 다이오드 또는 LED 회로입니다. 그러나 표준 트랜지스터 또는 MOSFET 인터페이싱 회로를 솔리드 스테이트 스위치로 사용하면 컨트롤러의 출력 핀이 매우 적은 양의 전류만 공급(또는 싱크)할 수 있는 경우에도 훨씬 더 큰 전류 흐름을 제어할 수 있습니다. 일반적으로 많은 컨트롤러의 경우 출력 인터페이스 회로는 일반적으로 부하가 공급 전압과 스위칭 장치의 출력 단자 사이에 연결되는 전류 싱킹 출력일 수 있습니다.

예를 들어, 프로젝트나 로봇 애플리케이션에서 다양한 출력 장치를 제어하려는 경우 단일 패키지 내의 여러 트랜지스터 스위치로 구성된 ULN2003 Darlington 드라이버 IC를 사용하는 것이 더 편리할 수 있습니다. 또는 AC 액추에이터를 제어하려면 릴레이 또는 광절연기(광커플러) 인터페이스를 출력할 수 있습니다.

그런 다음 입력 및 출력 인터페이싱 회로가 전자 설계자 또는 학생에게 소신호 또는 마이크로프로세서 기반 소프트웨어 시스템을 사용할 수 있는 유연성을 제공하고 소규모 학교 프로젝트인지 여부에 관계없이 입력/출력 포트를 통해 현실 세계와 제어하고 통신할 수 있는 기능을 제공한다는 것을 알 수 있습니다. 또는 대규모 산업 응용 분야.

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